CN105634558B - 一种全频带电力线载波通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全频带电力线载波通信系统，包括BPLC处理器、BPLC收发电路和BPLC耦合电路；BPLC是指宽带电力线载波通信；本系统还包括窄带载波发送电路、窄带载波接收电路、窄带信号耦合电路以及过零电路；窄带载波发送电路和窄带载波接收电路均设置在窄带信号耦合电路与BPLC处理器之间；窄带信号耦合电路与电力线连接；窄带载波发送电路和窄带载波接收电路与BPLC处理器的引脚相连；过零电路的输入端接电力线，过零电路的输出端接BPLC处理器的IO端口。该全频带电力线载波通信系统能显著提高抄表的成功率，且抄表效率高。

Description

一种全频带电力线载波通信系统

技术领域

本发明特别涉及一种全频带电力线载波通信系统，用于计量表的数据抄录。

背景技术

国内从1996年开始，有部分厂家开始研究电力线载波通信用于电力线抄表，到2006年开发，关注电力线载波通信的公司迅速增多，但是大部分为使用通用单片机，在单片机内部开发软件实现电力线载波的调制和解调，这种方式开发出的载波通信方式称之为窄带载波，因为其通信带宽从3K-50KHz不等，带宽较窄，且通信速率从50bps-5.4kbps不等，但是因为其受电网的干扰比较大，点对点成功率不高，特别是在电网用电高峰期，基本无法抄收数据，所以居民用户的电表抄读都选择在每天的凌晨0点开始。

随着国家建设坚强智能电网的号召，这种通信方式由于通信速率低，无法承载更大的数据收发，市场需要一种更快速度，更高成功率的通信技术，国际的高通、mstar，国内的华为海思相继推荐了基于国际标准Homeplug的宽带电力线载波通信芯片，其通信的频率范围为2MHz-30MHz，最高通信速率能达到1Gbps，已经广泛应用于家庭上网的电力猫上，因为宽带载波通信频率高，信号在电力线上衰减快，同时在电力线为地埋线时，通信距离非常短，只适合在家庭内部使用。为了将该技术应用到电力线载波抄表上，将宽带载波的通信速率降低到10Mbps，在极端的环境下，通信速率可以降低到3Mbps，在点对点通信距离上得到了一定的提升，但是在某些环境比较差的配电台区，特别是全地埋线的情况下，通信成功率非常低，同样无法满足全部情况的抄表需求。

因此，有必要设计一种新的用于抄表的电力线载波通信系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种全频带电力线载波通信系统，该全频带电力线载波通信系统能显著提高抄表的成功率。

发明的技术解决方案如下：

一种全频带电力线载波通信系统，包括BPLC处理器、BPLC收发电路和BPLC耦合电路；BPLC是指宽带电力线载波通信；BPLC收发电路的一侧与BPLC处理器的宽带收发端口相连，BPLC收发电路的另一侧通过BPLC耦合电路与电力线连接；

还包括窄带载波发送电路、窄带载波接收电路、窄带信号耦合电路以及过零电路；窄带载波发送电路和窄带载波接收电路均设置在窄带信号耦合电路与BPLC处理器之间；窄带信号耦合电路与电力线连接；窄带载波发送电路和窄带载波接收电路与BPLC处理器的引脚相连；这里的引脚包括普通的通用IO引脚，IO引脚可以作为使能信号输出端，引脚也可以是DAC引脚(即BPLC处理器内部集成的DAC的输出端)，通过DAC引脚能模拟正弦波的输出；DAC引脚是指数字转模拟信号引脚；

过零电路的输入端接电力线，过零电路的输出端接BPLC处理器的IO端口；

由BPLC处理器产生窄带载波调制信号发送给窄带载波发送电路，并对窄带载波接收电路接收的窄带载波信号先在窄带载波的接收电路(MC3361)中进行鉴频，再输入到BPLC处理器进行解调，从而实现窄带载波通信。

BPLC收发电路中的发送电路采用通用PA芯片(PA芯片采用ISL1571)，接收电路采用电阻、电容和电感组成的多级滤波电路。

窄带载波采用BFSK调制方式，通信速率50bps-600bps，采用扩频通信方式，采用80位的扩频因子。

窄带载波的接收电路采用MC3361芯片，负责接收调频信号的鉴频。

针对窄带载波通信，由BPLC处理器产生两种不同频率的正弦波信号：M0(如138kHz)和M1(如126kHz)，两个信号频率差为不超过15KHz，每次发送M0或M1的时间设为τ(这个时间是指M0或M1持续的时间)，(τ≤10微秒)，通过过零电路获取到220V正弦交流电的过零点，在过零点前后时间t(t≤4毫秒)里进行数据的收发，每个过零点发送1bit有效数据(有效数据是指一个0或1)。

先采用宽带载波方式进行配电台区的电表抄表，一轮抄表完成后，统计未成功抄表的电表，抄表命令下发后一定时间未返回数据或返回数据错误即为未成功抄表，再采用窄带载波通信方式对未成功抄表的电表进行补抄，直到成功率为100％。

BPLC处理器采用的宽带电力线载波芯片为高通的QCA7000型芯片。

BPLC耦合电路中的耦合变压器要求收发线圈分开，原边匝数：发送线圈匝数：接收线圈匝数之比为4:1:5。

基于该BPLC处理器，通过通用IO脚外接窄带载波通信的接收和发送数据，发送电路采用分立元器件搭接，接收电路采用通用的FSK鉴频芯片，同时增加宽带载波芯片的信号耦合电路；

宽带载波发送电路采用外置PA方式，PA芯片采用ISL1571，接收电路为电阻、电容和电感组成的多级滤波电路，耦合变压器要求收发线圈分开，匝数比为4:1:5(原边匝数：发送匝数：接收匝数)。

窄带载波采用BFSK调制方式，通信速率50bps-600bps，采用扩频通信方式，采用80位的扩频因子，这种技术可以极大提高其抗干扰能力，同时提升其点对点通信距离，特别在地埋线情况下，相对宽带载波通信方式，其通信距离有极大提升。窄带载波的接收和解调芯片采用MC3361，发送采用分立器件搭建，一方面可以提升性能，另一方面可以降低整个通信系统成本。

本通信系统的窄带载波的调制和解调在宽带载波芯片的ARM9中采用软件实现，用软件(内部程序)的方式产生两种不同频率的正弦波信号(采用内部程序模拟正弦波信号为现有成熟技术)，其中频率高的信号记为M0(如138kHz)，频率低的信号记为M1(如126kHz)，两个信号频率差为不超过15KHz，为该窄带通信系统带宽，每次发送M0或M1的时间设为τ，一般不超过10微秒，通过过零电路获取到220V正弦交流电的过零点，在过零点前后一定时间t(不超过4毫秒)里进行数据的收发，每个过零点发送1bit。

本通信系统在数据抄读时，先采用宽带载波方式进行配电台区的电表抄表，一轮抄完后，统计未成功抄表的电表，抄表命令下发后一定时间未返回数据或返回数据错误即为未成功抄表，再采用窄带载波通信方式进行补抄，直到成功率为100％。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的全频带电力线载波通信系统，结合了窄带载波通信距离远、信号衰减慢点对点通信距离的优点，同时也结合了宽带载波通信的速率快等优点，能完美解决全部台区的抄表需求，显著提高抄表的成功率，试验表明能使全部台区半小时抄表成功率达到100％，能满足用电信息采集系统的成功率和高效率的需求。

另外，本方案的实施成本低，BPLC处理器为内嵌ARM9内核的宽带电力线载波芯片，而且通过原有宽带载波芯片模拟窄带载波通信的调制和解调，易于实施，构思巧妙，而效果特别突出，是本发明的关键点所在。

宽带电力线载波处理器内置了宽带载波的调制和解调器，采用ARM9内核，运行linux嵌入式操作系统，采用OFDM的调制方式，通信频率2-12MHz，物理层最大通信速率达10Mbps，该宽带载波通信芯片外加的宽带载波收发电路、信号耦合电路保持不变，实现宽带电力线载波通信。

本发明以BPLC处理器作为用于数据采集的主控制器；具有两条采集通道分别执行基于宽带载波的数据传输和基于窄带传输的数据传输；每条采集通道能单独工作以采集数据；

该两条采集通道分别是宽带载波采集通道和窄带载波采集通道；

宽带载波采集通道包括BPLC收发电路和BPLC耦合电路；

窄带载波采集通道包括窄带载波发送电路、窄带载波接收电路、窄带信号耦合电路以及过零电路；

本发明存在以下优点：

1、实现了宽带载波通信和窄带载波通信的互补，相比窄带载波，极大提升了通信速率，满足智能电网需求，相比宽带载波，极大提升了点对点通信距离，特别是地埋线下的通信距离。

2、实现了在宽带载波芯片中使用软件方式实现了窄带载波的调制与解调，窄带载波通信的通信指标可以更加现场的情况灵活配置。

附图说明

图1为全频带电力线载波通信系统的总体架构图；

图2为数据抄读流程图；

图3为窄带载波信号发送电路图；

图4为窄带载波接收电路图；

图5为窄带载波耦合电路图；

图6为窄带载波过零电路图；

图7为宽带载波信号收发和耦合电路。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于一下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

实施例：

如图1，一种全频带电力线载波通信系统，包括BPLC处理器、BPLC收发电路和BPLC耦合电路；BPLC是指宽带电力线载波通信；BPLC收发电路的一侧与BPLC处理器的宽带收发端口相连，BPLC收发电路的另一侧通过BPLC耦合电路与电力线连接；

全频带电力线载波通信系统还包括窄带载波发送电路、窄带载波接收电路、窄带信号耦合电路以及过零电路；

窄带载波发送电路和窄带载波接收电路均设置在窄带信号耦合电路与BPLC处理器之间；窄带信号耦合电路与电力线连接；窄带载波发送电路和窄带载波接收电路与BPLC处理器的引脚相连；这里的引脚包括普通的通用IO引脚，IO引脚可以作为使能信号输出端，引脚也可以是DAC引脚(即BPLC处理器内部集成的DAC的输出端)，通过DAC引脚能模拟正弦波的输出；

过零电路的输入端接电力线，过零电路的输出端接BPLC处理器的IO端口；

由BPLC处理器产生窄带载波调制信号发送给窄带载波发送电路，并对窄带载波接收电路接收的窄带载波信号先在窄带载波的接收电路(MC3361)中进行鉴频，再输入到BPLC处理器进行解调，从而实现窄带载波通信。

BPLC收发电路中的发送电路采用通用PA芯片(PA芯片采用ISL1571)，接收电路采用电阻、电容和电感组成的多级滤波电路。

窄带载波采用BFSK调制方式，通信速率50bps-600bps，采用扩频通信方式，采用80位的扩频因子。

窄带载波的接收电路采用MC3361芯片，负责接收调频信号的鉴频。

针对窄带载波通信，由BPLC处理器产生两种不同频率的正弦波信号：M0(如138kHz)和M1(如126kHz)，两个信号频率差为不超过15KHz，每次发送M0或M1的时间设为τ(这个时间是指M0或M1持续的时间)，(τ≤10微秒)，通过过零电路获取到220V正弦交流电的过零点，在过零点前后时间t(t≤4毫秒)里进行数据的收发，每个过零点发送1bit有效数据(有效数据是指一个0或1)。

参见图2，进行抄表时，先采用宽带载波方式进行配电台区的电表抄表，一轮抄表完成后，统计未成功抄表的电表，抄表命令下发后一定时间未返回数据或返回数据错误即为未成功抄表，再采用窄带载波通信方式对未成功抄表的电表进行补抄，直到成功率为100％。

BPLC处理器采用的宽带电力线载波芯片为高通的QCA7000型芯片。

BPLC耦合电路中的耦合变压器要求收发线圈分开，原边匝数：发送线圈匝数：接收线圈匝数之比为4:1:5。

图3中，TX_EN为发送使能信号,DAC_OUT为载波输出信号，TX_OUT为经放大后的载波输出信号，其中TX_OUT,DAC_OUT为BPLC处理器输出信号，TX_OUT为输出到耦合电路的载波信号。图3的窄带载波信号发送电路采用分立元器件搭建，电路将处理器是输出的信号经过多级放大和滤波后，再通过耦合变压器将信号发射出去。

针对图4，通过耦合变压器耦合来的载波信号，由MC3361进行鉴频后，到RISE3902芯片进行解调，再送入宽带载波芯片处理。

图5中，窄带载波信号耦合电路由安规电容，耦合变压器组成，安规电容将50Hz的交流电进行隔离。从电网中接收到的载波信号通过安规电容，从耦合变压器原边耦合到副边，然后进入MC3361进行解调。

图6为窄带载波过零电路图，过零电路由降压电子和光耦组成，利用光耦的通断产生方波信号，输入到宽带载波芯片IO脚进行检测。其中ZERO为输入到BPLC处理器的过零信号，宽带载波芯片根据该信号的电平来进行窄带载波信号的收发。

如图7，宽带载波信号收发和耦合电路由安规电容、耦合变压器，多级滤波电路组成，安规电容滤除掉50Hz的交流电，由BPLC处理器发送出来的载波信号通过耦合变压器耦合到强电线路上，电力线上接收到的宽带载波芯片通过安规电容后，通过耦合变压器后，经过多级滤波后输入到宽带载波处理芯片内部解调。

宽带载波芯片电路，宽带载波芯片内嵌ARM9内核，外部需要接程序FLASH，晶体和复位电路等。

应用效果说明：

目前在台区线路比较好的情况下，纯窄带载波的日抄表成功率能达到98％以上！宽带载波能做到3小时抄表成功率100％，但是对存在地埋线的台区，日抄表成功率可能低到40％。

通过实施本方案，在多个配电台区进行试点，均能做到半个小时抄表成功率100％，同时满足100％远程费控。

Claims (7)

1.一种全频带电力线载波通信系统，包括BPLC处理器、BPLC收发电路和BPLC耦合电路；BPLC是指2-12MHz的宽带电力线载波通信；BPLC收发电路的一侧与BPLC处理器的宽带收发端口相连，BPLC收发电路的另一侧通过BPLC耦合电路与电力线连接；

其特征在于，还包括窄带载波发送电路、窄带载波接收电路、窄带信号耦合电路以及过零电路；

窄带载波发送电路和窄带载波接收电路均设置在窄带信号耦合电路与BPLC处理器之间；窄带信号耦合电路与电力线连接；窄带载波发送电路和窄带载波接收电路与BPLC处理器的引脚相连；

过零电路的输入端接电力线，过零电路的输出端接BPLC处理器的IO端口；

BPLC处理器为内嵌ARM9内核的宽带电力线载波芯片，且通过ARM使用软件方式模拟窄带载波通信的调制和解调；抄表整体步骤为：先采用宽带载波方式进行配电台区的电表抄表，一轮抄表完成后，统计未成功抄表的电表，并根据现场的情况经ARM软件方式灵活配置3K-50KHz范围内的窄带载波通信的通信指标，再采用窄带载波通信方式对未成功抄表的电表进行补抄；补抄时，产生窄带载波调制信号发送给窄带载波发送电路，并对窄带载波接收电路接收的窄带载波信号先在窄带载波的接收电路中进行鉴频，再输入到BPLC处理器进行解调。

2.根据权利要求1所述的全频带电力线载波通信系统，其特征在于，BPLC收发电路中的发送电路采用通用PA芯片，接收电路采用电阻、电容和电感组成的多级滤波电路。

3.根据权利要求1所述的全频带电力线载波通信系统，其特征在于，窄带载波采用BFSK调制方式，通信速率50bps-600bps，采用扩频通信方式。

4.根据权利要求3所述的全频带电力线载波通信系统，其特征在于，窄带载波的接收电路采用MC3361芯片，负责接收调频信号的鉴频。

5.根据权利要求3所述的全频带电力线载波通信系统，其特征在于，针对窄带载波通信，由BPLC处理器产生两种不同频率的正弦波信号：M0和M1，两个信号频率差为不超过15KHz，每次发送M0或M1的时间设为τ，通过过零电路获取到220V正弦交流电的过零点，在过零点前后时间t里进行数据的收发，每个过零点发送1bit有效数据。

6.根据权利要求1所述的全频带电力线载波通信系统，其特征在于，BPLC处理器采用的宽带电力线载波芯片为高通的QCA7000型芯片。

7.根据权利要求1-6任一项所述的全频带电力线载波通信系统，其特征在于，BPLC耦合电路中的耦合变压器要求收发线圈分开，原边匝数：发送线圈匝数：接收线圈匝数之比为4:1:5。